JPH02185088A - 双モード線形加速器装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １権分災 本発明は、大略、レーザに関するものであって、更に詳
細には、自由電子レーザ装置において使用される少なく
とも２組の電子ビームに対して単一の線形加速器を使用
する技術に関するものである。

丈米艮巖 従来の高パワー自由電子レーザは、典型的に、異なった
エネノ＞ギレベルの２つの電子の流れ及びマスターオシ
レータ及びパワーアンプによって夫々使用されるその他
のパラメータに対して２つの線形加速器を使用していた
。線形加速器は、レーザにおいて使用される電子のエネ
ルギを増加させ且つ形成されるレーザビーム内の光の強
度を増加させる為に使用されている。

線形加速器を構築することは高価であるから、単一の線
形電子加速器によって加速するために２つの異なった電
子ビーム又は電子の流れ（ストリーム）を結合するばか
りでなく、線形加速器の出力端において２つの別々の付
加によって使用する為にこれら２つの電子の流れを分離
する技術を確立することが望ましい。

且−枚 本発明は１以上の点に鑑みなされたものであって、上述
した如き従来技術の欠点を解消し、共通の加速の為に異
なった電子の流れを結合するのみならず、エネルギレベ
ルを増加させた後に電子の流れを再形成し且つこれら２
つの電子の流れを最終的なレーザ装置に対する別々の負
待タイプの装置を利用する為の装置及び方法を提供する
ことを目的とする。

盪−處 本発明は、異なったエネルギレベルの２つの電子の流れ
を集束用経路へ結合させる為に偏向用磁石等の電子ビー
ム偏向手段を使用することが可能であるのみならず、２
つの電子ビームのエネルギレベルが別である限り出力端
において２つの電子の別々の流れを再形成する為に同様
の偏向手段を使用することが可能であるという本発明者
の知得に基づくものである。線形加速器は、通過する電
子に同一のエネルギの増分量を付与するので、線形加速
器から出力する電子ビームのエネルギレベルにおける差
異は、受け取ったものと同一の増分量であるが、エネル
ギレベルにおいて比例的に異なるに過ぎない、その正味
の結果は、出力する電子ビームの分離角度は、最初の偏
向磁石によって受け取られた電子の集束性の流れの分離
角度よりも小さい。

本発明の原理は、単一の非常に強力なレーザ装置におい
て使用可能であるのみならず、２つの異なったエネルギ
レベルにおいてか又は２つの異なった周波数においての
いずれかにおいて動作するレーザを設けることが望まし
い場合にも適用することが可能である。経費を節減する
為に単一の線形加速器を使用する本発明の原理を適用す
ることも可能である。最終的な結果は、一層経済的な投
資に対して、２つのレーザ動作のいずれかを同時的に供
給する装置を提供することが可能である。

大凰舅 以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的実施の態様
について説明する。

第１図において、２つの電子の流れＥｌ（又は１０）及
びＥ２（又は１２）が電子偏向手段乃至は偏向（又は、
曲げ）磁石１４の区域において集束する傾向となる角度
で２つの異なった供給源から供給される。偏向磁石１４
の磁力は、１０及び１２で示した２つの電子の流れのフ
ィールドと干渉し、これらの電子の流れを集束用経路１
６へ強制的に指向させる。電子１６の経路は、線形加速
器、乃至はエネルギアンプ即ちＬＩＮＡＣ１８へ供給さ
れ、該線形加速器１８はエネルギＥ３の量をそれを通過
する電子へ付加する。Ｌ　Ｉ　ＮＡＣ１８の出力は、電
子の流れ２０であり、それは別の偏向磁石乃至は他の電
子偏向手段２２へ供給される。与えられた磁石の偏向能
力は、偏向されろ電子のエネルギに逆比例している。従
って、より高いエネルギの流れＥ２は、エネルギの流れ
Ｅｌよりも少ない角度で偏向される。２つの出力の流れ
を２４及び２６で夫々示してあり、且つ流れ２４はＥ３
の付加されたエネルギを持ったＥ２の流れであり且つ流
れ２６はＥ３のＬＩＮＡＣ１８によって供給される付加
エネルギを有する電子の流れＥｌを表している。電子の
流れは電気的特性のみならず磁気的特性も有しているの
で、電子の流れは電界又は磁界のいずれかによって偏向
され得る。

従って、装置１４及び２２は、最初に独立的な流れを集
束用経路へ偏向させるか又は結合された経路を２４及び
２６で示した異なったエネルギの電子の流れの２つの別
々の経路へ偏向させるかのいずれかの所望の結果を達成
する任意のタイプの電子ビーム偏向手段とすることが可
能である。

第２図は、パワーアンプ電子ビーム注入器を３０で示し
且つマスターオシレータ電子ビーム注入器を３２で示し
た自由電子レーザの具体的実施例において第１図の概念
を示している。

パワーアンプ注入器３０は、偏向磁石３６へ向けての３
４で示した経路上を第１組のパラメータを有する電子の
流れを供給する。マスターオシレータ注入器は、経路３
８によって表される別個に形成された電子のビームを供
給する。３４で表された電子のビームは、ビーム３８に
よって表されるものよりも一層大きな初期エネルギを有
しており、従って、ビーム３４によって表される電子の
流れは、前に第１図に関連して説明した場合よりも少な
く偏向される。従って、２つのビーム３４及び３８は、
集束して、例えばＬＩＮＡＣ４２等の線形加速器によっ
て加速されるべき電子のビーム４０を形成する。このＬ
ＩＮＡＣの出力は、電子の流れ４６を介して別の偏向磁
石４４へ供給される。該偏向磁石の出力は、２つの電子
の流れ４８及び５０をＬＩＮＡＣ５２及びマスターオシ
レータ５４へ夫々供給する。ＬＩＮＡＣ５２に入力する
電子はより多くエネルギが供給され且つパワーアンプ５
８への別のビーム５６内に供給される。

レーザ変調信号がマスターオシレータ５４から、光ビー
ム６０を介して、パワーアンプ５８へ供給さ九る。光ビ
ーム６０は、ビーム５６の電子に作用して、パワーアン
プ５８の出力端に高パワーレーザビーム６２を発生する
。

マスターオシレータ５４は、典型的に、パワーアンプ５
８によって使用する為に流れ３４に付加することが望ま
しいエネルギと比較して、流れ３８Δそれ程のエネルギ
を付加することを必要とするものではない、従って、Ｌ
ＩＮＡＣ４２は、パワーアンプの電子の流れ３４に対し
て、マスターオシレータ５４に対しての流れ３８へ付加
されるエネルギの量を付加し、次いで別の加速をＬＩＮ
ＡＣ５２によてパワーアンプ電子へ与える。４２及び５
２の結合したパワーを供給する単一の装置（ＬＩＮＡＣ
）の全エネルギ付加能力（ｒｆパワーシステム）を発生
する為のコストは、並置形態でのＬＩＮＡＣ４２及び５
２に加えて流れ５０を発生する為に例えばＬＩＮＡＣ４
２等の２つの別個のＬＩＮＡＣのみにより流れ５０及び
５６を得る為の装置を構築するエネルギ付加能力に対す
るコストよりも多少少ないに過ぎない。然し乍ら。

マスターオシレータによって使用される電子の流れのみ
に対しての別個の線形加速器としてＬＩＮＡＣ４２の部
分を別に設けることが必要でないとすることにより１図
示した全装置を構築する上で非常に顕著なコストの節約
が得られる。電子を加速する為に費消される全結合エネ
ルギは、２つの別個のＬＩＮＡＣで加速されるか又は第
２図に示した構成によるかに拘らず、実質的に同一であ
る。

この装置における節約は、構築した後に使用されるパワ
ーにおいてではなく、付加的なＬ　Ｉ　ＮＡＣを製造す
るコストを除去することだけである。前述した如く、偏
向磁石３６及び４４は、Ｌ　Ｉ　ＮＡＣに比較するとコ
ストにおいて問題ではなく、且つ典型的には単一の双極
磁石を使用することによって構成することが可能である
。

第３図に示した装置は、本発明の原理を、二重レーザ型
装置に適用した場合であり、この場合、典型的には、ユ
ーザが２つの異なった周波数のレーザビームを同時に必
要とする場合であり、構成る場合においては、２つの異
なったパワーレベル又はその両方が所望される。

第３図に示した如く、第１及び第２電子注入器７５及び
７７が、電子ビーム７９及び８１を偏向磁石８３へ供給
し、偏向磁石８３は、７９と８１の結合として表されて
いる集束した電子の組を線形加速器乃至はＬＩＮＡＣ８
５へ供給し、ＬＩＮＡＣ８５は、加速の後に、その電子
を別の偏向磁石８７へ供給し、偏向磁石８７は、該ビー
ムを別のビーム８９及び９１へ分割すべく動作し、ビー
ム８９及び９１は、図示した如く、第１及び第２レーザ
９３及び９５へ供給される。前述した如く、角度αは角
度βよりも一層大きい。何故ならば。

加速の後にエネルギレベルの間の百分率差は、加速前の
エネルギ差百分率よりも少ないからである。

公知の如く、高エネルギ電子ビームを受け取るレーザ装
置は、必要的ではないが典型的に、高い動作周波数を有
している。

監−走 マスターオシレータ装置の光学的共振におけるミラーの
加熱によって課されるパワー限定を回避する為に、高パ
ワー自由電子レーザ（ＦＥＬ）はマスターオシレータ／
パワーアンプ（ＭＯＰＡ）を使用せねばならない。前述
した如く、ＭＯＰＡに対しての従来の設計基準では、マ
スターオシレータ用に１つとパワーアンプ用の１つの２
つの電子線形加速器（ＬＩＮＡＣ）を使用している。線
形加速器システムは、高パワーＦＥＬにおいて最大のコ
スト品目であり、従って、ＭＯＰＡ形態ＦＥＬ用に２つ
のＬＩＮＡＣを使用することは極めて高価なものとなる
。

当業者に公知の如く、電子の速度及び磁界に垂直な磁界
内の電子の軌跡の半径は、電子の運動量と共に変化し、
且つ電子の初期エネルギ又は最終エネルギが等しくない
場合においてさえも電子が相対論的である場合に「β＝
１」加速器構成において基本的に等しい電子加速がある
。これらの既知の事実は、マイクロトロン及び循環型Ｌ
ＩＮＡＣを包含する種々のタイプの加速器の基本である
。

この情報は、Ｒｏｙ　Ｅ、　Ｒａｎｄ著の「循環型電子
加速器（Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ　Ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｓ）Ｊ、１９８４、の文献
に記載されている。

複数個のビームに対して単一のＬＩＮＡＣを使用するこ
との従来の概念は、出力端に電子ビームスイッチを設け
るものであった。このようなアプローチは、電子ビーム
を受け取る装置が高電子ビーム電流及び高ビーム品質を
必要とする場合には満足のいく解決ではない０本発明は
、入力電子ビームに対して別々の供給源を使用し且つこ
れらのビームを電子の別個の出力流れに分離し、従って
、ピーク電流、平均電流、集群（ｂ　ｕ　ｎ　ｃ　ｈ）
長さ。

集群繰返し率、エミツタンス、エネルギ拡散及び運動エ
ネルギのパラメータに関して制御を有している。電子ビ
ームにおけるこれらの種々のパラメータの独立的な調節
をすることが可能であることは、図示した装置の多様性
を著しく拡大する。

従って、本発明の共通要素を第１図に示してあり、複数
個のビーム（即ち、１０及び１２）が、偏向磁石１４等
の電子ビーム偏向手段によって作用されて、これらの２
つのビームを単一のＬＩＮＡＣ１８によって加速すべく
１６等の単一の経路に集束させ、次いで例えば偏向磁石
２２等の別の偏向手段によって、各々が、運動エネルギ
の量が増幅されているということを除いて十分に修正さ
れた形態でその元のパラメータを維持する２つの使用可
能な自由電子の流れ２４及び２６に分離する。

第３図を参照すると、第１図の概念は、例えば異なった
周波数又は異なった強度等の２つの異なったタイプのレ
ーザ出力ビームを供給する為の装置に対するアプローチ
に対して非常に明らかな態様で適用可能である。注意す
べきことであるが。

これら２つのレーザビームは、所望により、同時的に供
給することが可能である。

第１図乃至第２図の概念は、偏向磁石３６によて共通の
経路へ偏向され、一層高いエネルギレベルへ加速され、
且つ偏向磁石４４によって流れ４８及び５０へ分離され
る異なったパラメータの２つの異なった電子の流れ３４
及び３８を使用する。

電子の流れ５０は低いエネルギレベルである。この電子
ビームは、光ビーム６０を発生する為にマスターオシレ
ータ５４内において使用される。電子の流れ４８は、よ
り高いエネルギの電子の流れ５６を提供する為にＬＩＮ
ＡＣ５２のセクションによってそれに付加される更に別
のエネルギの量を有している。パワーアンプ５８は、電
子の流れ５６及び光ビーム６０と干渉して、より高いパ
ワーの光ビーム６２を発生する。

第２図の全ての構成要素は標準的なものとすることが可
能であり、且つ共通のＬＩＮＡＣによる加速の為に最初
に電子の流れを集束させ次いでマスターオシレータ５４
及びＬＩＮＡＣ５２とパワーアンプの結合により使用す
る為に電子の流れを分離させる為の共通のＩＩＮＡＣ４
２及び偏向磁石３６及び４４を除いて他の実施例におい
て使用されている。

以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳細に説明し
たが１本発明はこれら具体例にのみ限定されるべきもの
では無く、本発明の技術的範囲を逸脱すること無しに種
々の変形が可能であることは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念を示したブロック図、第２図
は自由電子レーザ概念を使用する高パワーレーザ装置へ
の適用としての本発明概念のブロック図、第３図は２つ
の異なったレーザ出力ビームを持った全装置を提供する
場合に使用される本発明概念のブロック図、である。 （符号の説明） １０．１２：電子の流れ １４．２２：偏向磁石 １８：ＬＩＮＡＣ 特許出願人　　　　ロックウェル　インターナショナル
　コーポレーショ ン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多目的自由電子レーザ装置において、第１エネルギ
   レベルで電子の第１の流れを与える電子注入器第１手段
   、前記第１エネルギレベルよりも高い第２エネルギレベ
   ルで電子の第２の流れを与える電子注入器第２手段、入
   力手段と出力手段とを具備しており前記入力手段と前記
   出力手段との間を通過する電子のエネルギを与えられた
   値だけ増加させる線形加速器第３手段、入力手段と出力
   手段とを具備しており前記電子の第１の流れが前記電子
   の第２の流れよりも一層偏向され且つ前記出力手段から
   前記第３手段へ向けて出力される場合に２つの電子ビー
   ムが共通の経路を通過するように前記第１手段及び前記
   第２手段及び前記第３手段の間に整合して位置されてい
   る偏向磁石第４手段、前記電子の第１の流れを受け取る
   負荷第５手段、前記電子の第２の流れを受け取る負荷第
   ６手段、入力手段と出力手段とを具備しており前記電子
   の第１の流れが前記電子の第２の流れよりも一層偏向さ
   れ且つ２つの電子ビームが夫々のビームエネルギレベル
   に従い前記第５及び第６手段へ向けて別々の経路で出力
   すると共に第７手段へ共通の経路を通過するように前記
   第３手段及び前記第５手段及び前記第６手段の間に整合
   して位置されている偏向磁石第７手段、を有することを
   特徴とする多目的自由電子レーザ装置。 ２、マスターオシレータ／パワーアンプ自由電子レーザ
   装置において、第１エネルギレベルで電子の第１の流れ
   を与えるマスターオシレータ電子注入器第１手段、前記
   第１エネルギレベルよりも高い第２エネルギレベルで電
   子の第２の流れを与えるパワーアンプ電子注入器第２手
   段、入力手段と出力手段とを具備しており前記入力手段
   と前記出力手段との間を通過する電子の運動量を与えら
   れた値だけ増加させる線形加速器第３手段、入力手段と
   出力手段とを具備しており前記電子の第１の流れが前記
   電子の第２の流れよりも一層変更され且つ前記出力手段
   から前記第３手段へ向けて出力する場合に２つのビーム
   が共通の経路を通過するように前記第１手段及び前記第
   ２手段及び前記第３手段との間に整合して位置されてい
   るビーム偏向第４手段、前記電子の第１の流れを受け取
   り且つそれを与えられた基本周波数出力光ビームへ変換
   させる為のマスターオシレータ第５手段、前記電子の第
   ２の流れを受け取り且つ前記電子の第２の流れを一層高
   いエネルギレベルで出力する線形加速器第６手段、入力
   手段と出力手段とを具備しており前記電子の第１の流れ
   が前記電子の第２の流れよりも一層偏向され且つ２つの
   電子ビームが夫々のビームエネルギレベルに従って前記
   第５及び前記第６手段へ向けて別々の経路で出力すると
   共に第７手段へ共通の経路を通過するように前記第３手
   段及び前記第５手段及び前記第６手段の間に整合して位
   置されているビーム偏向第７手段、入力手段と出力手段
   とを具備しており前記第５手段及び前記第６手段からの
   電子ビーム及び前記光ビームを受け取り且つ前記マスタ
   ーオシレータのビームの基本周波数を持ったレーザ出力
   信号を供給するパワーアンプ第８手段、を有することを
   特徴とするマスターオシレータ／パワーアンプ自由電子
   レーザ装置。 ３、マルチ周波数レーザ装置において、第１エネルギレ
   ベルで電子の第１の流れを供給する電子注入器第１手段
   、前記第１エネルギレベルよりも高い第２エネルギレベ
   ルで電子の第２の流れを供給する電子注入器第２手段、
   入力手段と出力手段とを具備しており前記入力手段と前
   記出力手段との間を通過する電子の運動量を与えられた
   値だけ増加させる線形加速器第３手段、入力手段と出力
   手段とを具備しており前記電子の第１の流れが前記電子
   の第２の流れよりも一層偏向され且つ２つの電子ビーム
   が前記第３手段へ向けて前記出力手段から出力する場合
   に共通の経路を通過するように前記第１手段及び前記第
   ２手段及び前記第３手段との間に整合して位置されてい
   るビーム偏向第４手段、電子の流れを受け取り且つそれ
   を第１周波数の出力光ビームへ変換させるレーザ第５手
   段、電子の流れを受け取り且つそれを第２周波数の出力
   光ビームへ変換させるレーザ第６手段、入力手段と出力
   手段とを具備しており前記電子の第１の流れが前記電子
   の第２の流れよりも一層偏向され且つ２つのビームが夫
   々のビームエネルギレベルに従って前記第５及び第６手
   段へ向けて別々の経路で出力すると共に第７手段へ共通
   の経路を通過するように前記第３手段及び前記第５手段
   及び前記第６手段の間に整合して位置されているビーム
   偏向第７手段、を有することを特徴とするマルチ周波数
   レーザ装置。 ４、通過する複数個の電子の流れの各々の運動量を同時
   的に増加させる単一の線形加速器を使用する方法におい
   て、異なった角度から電子ビーム偏向手段へ異なったパ
   ラメータの複数個の電子の流れを同時的に供給しその際
   に前記電子の流れはそれらのエネルギレベルに従って偏
   向されて前記複数個の電子の流れは電子ビーム偏向手段
   を出力する場合に共通の経路へ集束し、前記共通の経路
   の流れにおける全ての電子のエネルギレベルを単一の線
   形加速器の使用を介して実質的に同一の量だけ増加させ
   て高エネルギ出力電子の流れを形成し、且つ前記線形加
   速器の出力を別の電子ビーム偏向手段を介して通過させ
   ることによって元の複数個の電子の流れのパラメータの
   関数であるパラメータを各々が持った複数個の電子の流
   れを再形成する、上記各ステップを有することを特徴と
   する方法。 ５、通過する電子の２つの別々の流れの運動量を同時的
   に増加させる為に単一の線形加速器を使用する方法にお
   いて、２つの異なった角度から異なったエネルギレベル
   の電子の２つの流れを集束用経路に同時的に供給し、前
   記電子の集束用経路を偏向させてその際に最大のエネル
   ギを持った電子の流れの偏向を最小として電子の２つの
   流れを共通の経路へ集束させ、単一の線形加速器の使用
   を介して該共通の経路に沿って通過する電子の２つの流
   れの各々へ同一の増分量だけ付加的なエネルギを供給し
   、前記線形加速器を出力する電子を偏向させその際に最
   小のエネルギを持った電子を最も偏向させて２つの異な
   ったエネルギレベルで電子の２つの別々の流れを再形成
   させる、上記各ステップを有することを特徴とする方法
   。 ６、通過する電子の２つの別々の流れの運動量を同時的
   に増加させる為に単一の線形加速器を使用する装置にお
   いて、２つの異なった角度から異なったエネルギの電子
   の２つの流れを集束用経路に同時的に供給する電子ビー
   ム供給用第１手段、前記電子の集束用ビームの経路の近
   傍に位置されており最大のエネルギを持った電子の流れ
   は偏向が最小であり電子の２つの流れが共通の経路に集
   束し且つ電子の単一の流れとして出力されるように電子
   を偏向させるための電子ビーム偏向用第２手段、前記電
   子の単一の流れの経路内に位置されており付加的なエネ
   ルギをそれに供給し且つ出力として高エネルギの別の電
   子の単一の流れを供給する為の電子ビームエネルギ付与
   第３手段、前記第３手段によって出力される前記電子の
   別の単一の流れの経路内に位置されており２つの異なっ
   たエネルギレベルで電子の２つの別々の流れを再形成す
   る為に前記第３手段を出力する電子を偏向させる為の電
   子ビーム偏向用第４手段、を有することを特徴とする装
   置。 ７、通過する複数個の電子の流れの各々の運動量を同時
   的に増加させる為に単一の線形加速器を使用することを
   可能とさせる装置において、電子の流れがほぼ共通の集
   束点へ向けて指向されるように異なった角度から異なっ
   たパラメータの電子の複数個の流れを同時的に供給する
   電子ビーム供給用第１手段、前記複数個の電子の流れが
   出力する際に共通の経路へ集束するように夫々のエネル
   ギレベルに従って電子の流れが偏向されるように前記複
   数個の電子の流れの全てを受け取るように位置されてい
   る電子ビーム偏向第２手段、前記第２手段から出力する
   電子の共通の経路内に位置されており高エネルギ出力電
   子流れを形成する為に前記共通の経路の流れ内における
   全てを電子のエネルギレベルを増加させる為の線形加速
   器第３手段、前記高エネルギ出力電子流れを受け取るべ
   く位置されており各々が前記線形加速器の出力を電子ビ
   ーム偏向フィールドを介して通過させることにより元の
   複数個の流れのパラメータの関数であるパラメータを持
   っている複数個の電子の流れを再形成する為の電子ビー
   ム偏向第４手段、を有することを特徴とする装置。